CN114325926B - 一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，涉及专用光学设备技术领域，包括空芯反谐振光纤单元、套接在空芯反谐振光纤单元外层的内包层、套接在内包层外层的外包层、套接在外包层外层的石英玻璃支撑管和套接在石英玻璃支撑管外层的聚合物涂层；空芯反谐振光纤单元包括空气纤芯和六个相同尺寸的内部嵌套椭圆反谐振管的包层圆管，包层圆管之间的间隔距离相同，空气纤芯区域的内部及其它空芯反谐振光纤单元内部的空间均为空气；外包层由33个尺寸相同的圆管组成，圆管与包层圆管的厚度和材料一致。本发明实现泵浦光的低损耗传输，避免能量发生泄漏，降低了泵浦光的限制损耗，增大了内包层的传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及专用光学设备技术领域，尤其是一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤。
背景技术
早期癌症诊断的一个主要问题是识别潜在肿瘤，需要对离体组织进行检查。由于活检和组织学检查耗时长，可能导致后续治疗的延误，为解决这一问题，需要开发体内成像工具来提供即时的癌症诊断。基于此需求研发出非线性显微内窥镜，此种内窥镜将非线性成像和光谱技术高灵敏度和实时性与柔性内窥镜的高度紧凑性和可穿透性的优势紧密结合。通常为了收集更多的信息，此种内窥镜必须能够执行双光子激发（TPEF）、二次谐波（SHG）和三次谐波（THG）生成以及相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像在单个设备中。此外，在灵敏度、空间分辨率、视场等方面的性能可与非线性显微镜相媲美。
上述系统的关键器件是内窥镜光纤。为了收集尽可能多的信息，内窥镜光纤必须能够在700~1100nm的光谱区内低损耗传输短脉冲，且无光谱失真。空芯反谐振光纤（Anti-Resonant Hollow Core Fiber , AR-HCF）通过反谐振效应和抑制耦合，将光限制在空气中传输，大大降低了泵浦光的损耗。AR-HCF与实芯光纤相比还具有更低的色散和非线性，光与纯石英玻璃的相互作用非常小，非常适合高功率短脉冲传输，因此，已有AR-HCF成功用于医学非线性内窥镜检查的案例。
目前已有研发应用于内窥镜检查的光纤，其中一种方案（Yerolatsitis S, Yu F,McAughtrie S, Tanner MG, Fleming H, Stone JM, Campbell CJ, Birks TA, KnightJC. Ultra-low background Raman sensing using a negative-curvature fibre andno distal optics. J Biophotonics. 2019 Mar;12(3):e201800239. doi: 10.1002/jbio.201800239. Epub 2018 Nov 19. PMID: 30353666; PMCID: PMC7065639.）：采用AR-HCF传输泵浦光，空气纤芯外围绕六个石英包层圆管，六个石英包层圆管间留有间隙，减少了Fano谐振点，从而降低了泵浦光的限制损耗。包层圆管内部及光纤其它空间为空气。包层圆管外侧是一层纯石英玻璃环；纯石英玻璃环外侧是一层由八个尺寸较大的掺锗棒组成的信号光收集圆环。该设计在785nm的泵浦光下，限制损耗达到0.1dB/m，可满足实际应用需要。此外，由于AR-HCF的模式在空气中被引导，与石英的相互作用很小，有效的减少石英本身产生的拉曼光，不会对样品受激产生的拉曼光产生影响。八个具有大数值孔径的掺锗棒可以收集更多的受激拉曼信号光。另一种方案（Kudlinski A, Cassez A, Vanvincq O,Septier D, Pastre A, Habert R, Baudelle K, Douay M, Mytskaniuk V, Tsvirkun V,Rigneault H, Bouwmans G. Double clad tubular anti-resonant hollow core fiberfor nonlinear microendoscopy. Opt Express. 2020 May 11;28(10):15062-15070.doi: 10.1364/OE.389084. PMID: 32403539.）：空气纤芯外围绕八个石英玻璃管，石英玻璃管外层包裹一层大尺寸石英玻璃，石英玻璃外侧有两层聚合物：第一层为低折射率聚合物涂层；第二层为高折射率、高机械强度聚合物涂层。在光纤输出端拼接一个纯石英玻璃微珠，使得数值孔径进一步提高，不会对光纤整体结构造成影响，从而满足了内窥镜的需求。该设计同样采用AR-HCF传输泵浦光，实现了泵浦光的低损耗传输，减少了石英本身产生的拉曼光对样品受激产生的拉曼光的影响。低折射率聚合物涂层与大尺寸的石英玻璃层构成双包层光纤，数值孔径大，可以对生物样本中产生的受激拉曼信号光进行更有效的收集。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，通过该光纤传输泵浦光，收集不同样品的受激拉曼信号光，实现泵浦光的低损耗传输，避免能量发生泄漏，降低泵浦光的限制损耗，增大内包层的传输效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，包括空芯反谐振光纤单元、套接在空芯反谐振光纤单元外层的内包层、套接在内包层外层的外包层、套接在外包层外层的石英玻璃支撑管和套接在石英玻璃支撑管外层的聚合物涂层；空芯反谐振光纤单元包括空气纤芯和六个相同尺寸的内部嵌套椭圆反谐振管的包层圆管，包层圆管围绕空气纤芯设置，包层圆管之间的间隔距离相同，椭圆反谐振管的管壁厚度与包层圆管的管壁厚度相同，空气纤芯区域的内部及其它空芯反谐振光纤单元内部的空间均为空气；外包层由33个尺寸相同的圆管组成，圆管围绕内包层设置，圆管与包层圆管的厚度和材料一致。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述空气纤芯直径为26.3～29.5μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述包层圆管的直径为17.945～19.258μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述椭圆反谐振管的长轴尺寸为8.459～9.523μm，短轴为4.9985～5.2465μm，长轴和短轴的比例因子为0.6。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述空芯反谐振光纤单元中的包层圆管和椭圆反谐振管的壁厚为0.17～0.19μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述空芯反谐振光纤单元中的包层圆管、内椭圆反谐振管和内包层的材料为折射率为1.458的纯石英玻璃；外包层由33个紧密相连且尺寸相同的圆管组成，圆管的内部及外包层其它空间为折射率为1的空气。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述内包层外径尺寸为330～350μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆管的外径尺寸为17.6～17.9μm，圆管的管壁厚度为0.17～0.19μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述由圆管组成的外包层的厚度为90～91μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述石英玻璃支撑管的厚度为15～20μm，所述聚合物涂层的厚度大于15μm。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明光纤的空芯反谐振光纤单元中的6个包层圆管之间留有适当的间隙，减少了不必要的Fano谐振，避免能量发生泄漏。空芯反谐振光纤单元由空气纤芯和6个尺寸相同的内嵌椭圆反谐振管的包层圆管组成，由于包层圆管中嵌套了椭圆反谐振管，降低了泵浦光的限制损耗。
本发明结构中，内包层材料为纯石英玻璃，折射率为1.458。外包层由33个紧密相连且尺寸相同的圆管组成，折射率为1。折射率差使得内包层数值孔径更大，增大了内包层的传输效率。内包层与外包层的折射率差使得内包层具有更大的数值孔径；内包层的尺寸大，可以收集更多的散射拉曼信号光，收集效果更好，且信号光的损耗更低。
由33个紧密相连且尺寸相同的石英玻璃圆管组成的外包层折射率远低于内包层，将样品受激散射的拉曼光束缚在内包层中。外包层由33个紧密相连且尺寸相同的圆管组成，与内包层（纯石英玻璃层）构成双包层光波导结构，大数值孔径可极大提高信号光的耦合效率。
空芯反谐振光纤单元、内包层、外包层、石英玻璃支撑管和聚合物涂层的独特优化设计，使得光纤的整体尺寸小，结构简单，整体尺寸小，易于制备，柔性好，符合实际应用要求。
附图说明
图 1是本发明提出的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤实施例的横截面结构示意图；
图2是本发明实施例的泵浦光的限制损耗示意图；
图3是本发明实施例的泵浦光的模场分布对比示意图；
图4是本发明实施例的内包层接收受激散射拉曼光的限制损耗示意图；
图5是本发明实施例的内包层接收受激散射拉曼光的模场分布示意图；
其中，1、空芯反谐振光纤单元，2、空气纤芯，3、包层圆管，4、椭圆反谐振管，5、内包层，6、圆管，7、外包层，8、石英玻璃支撑管，9、聚合物涂层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1至图5所示，一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，整体光纤结构由内到外包括空芯反谐振光纤单元1、纯石英的内包层5、外包层7、石英玻璃支撑管8和聚合物涂层9。空芯反谐振光纤单元由空气纤芯2和6个相同尺寸的椭圆反谐振管4的包层圆管3组成，包层圆管3围绕空气纤芯2设置，包层圆管3之间的间隙相同，椭圆反谐振管7与包层圆管3的厚度相同，椭圆反谐振管4嵌套在包层圆管3中，材料均为纯石英玻璃，空气纤芯2区域及其它光纤内部空间均为空气；内包层5材料为纯石英玻璃；外包层7由33个紧密相连且尺寸相同的圆管6组成，圆管6围绕内包层5设置，圆管6的厚度和材料与空芯反谐振光纤单元内的包层圆管3一致，圆管6内部及外包层7其它空间为空气。
所述空气纤芯2直径为26.3～29.5μm。
所述空芯反谐振光纤单元1中的包层圆管2的直径为17.945～19.258μm。
所述空芯反谐振光纤单元1中的嵌套在包层圆管3中的椭圆反谐振管4的长轴尺寸为8.459～9.523μm，短轴为4.9985～5.2465μm，短轴与长轴的比例因子为0.6。
所述空芯反谐振光纤单元1中的包层圆管3与嵌套其中的椭圆反谐振管4的壁厚为0.17～0.19μm。
所述空芯反谐振光纤单元1中的包层圆管3、嵌套包层圆管中的椭圆反谐振管4与内包层5的材料为纯石英玻璃；外包层7由33个紧密相连且尺寸相同的圆管6组成，圆管6内部及外包层7其它空间为空气。
所述双包层光纤的纯石英玻璃的内包层5外径尺寸为330～350μm。
所述组成外包层7的圆管6的外径尺寸为17.6～17.9μm，厚度为0.17～0.19μm。
所述由圆管6组成的外包层7的厚度为90～91μm。
所述石英玻璃支撑管8的厚度为10～15μm。
所述聚合物涂层9的厚度大于15μm。
工作原理：
本发明一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，将泵浦光通过端面耦合注入光纤中的空芯反谐振光纤单元，由于反谐振效应和抑制耦合，泵浦光会限制在低折射率的空气纤芯中传输。空芯反谐振光纤单元中的6个包层圆管之间留有适当的间隙，减少了不必要的Fano谐振，避免能量发生泄漏。同时由于包层圆管中嵌套了椭圆反谐振管，降低了泵浦光的限制损耗。当泵浦光入射到生物组织样本时，会收集从生物组织散射出的非线性信号TPEF、SHG、THG、CARS等，并且引导信号回到内包层纯石英玻璃层，由于外包层与内包层的折射率差，使得内包层的数值孔径大，并且内包层的尺寸面积大，可以收集更多的非线性信号。最后通过设置不同的检测通道，对内包层的不同的非线性信号进行检测。
实施例：
如图1所示，一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤的相关参数如下：空气纤芯2直径为26.3～29.5μm；所述空芯反谐振光纤单元1中的包层圆管3的直径为17.945～19.258μm；空芯反谐振光纤单元1中嵌套在包层圆管3中的椭圆反谐振管4的长轴尺寸为8.459～9.523μm，短轴为4.9985～5.2465μm，短轴与长轴的比例因子为0.6；空芯反谐振光纤单元1中的包层圆管3与嵌套其中的椭圆反谐振管4的壁厚为0.17～0.19μm；所述空芯反谐振光纤单元中的包层圆管3和嵌套其中的椭圆反谐振管4与内包层5的材料为纯石英玻璃，折射率为1.458；外包层7由33个紧密相连且尺寸相同的圆管6组成，圆管6的厚度和材料与空芯反谐振光纤单元1内的包层圆管3一致，圆管6内部及外包层6其它空间为空气，折射率为1；双包层光纤的纯石英玻璃的内包层5尺寸为330～350μm；组成双包层光纤外包层7的圆管6的尺寸为17.6～17.9μm，厚度为0.17～0.19μm；双包层光纤的外包层7的厚度为90～91μm；石英玻璃支撑管8的厚度为10～15μm；聚合物涂层9的厚度大于15μm。
如图2所示，由于空芯反谐振光纤单元的作用，实现了泵浦光的低损耗传输，在泵浦波长785nm下，限制损耗为：10-4dB/m。
如图3所示，由于反谐振效应和抑制耦合，泵浦光被限制在低折射率的空气纤芯中传输，且无能量泄漏。
如图4所示，在600-1600nm的波长下，覆盖了一些典型非线性信号产生的波段，收集的受激散射拉曼信号光的损耗极低。
如图5所示，较大尺寸的内包层可以接受更多的受激散射拉曼信号，且被很好的限制在内包层中，无能量泄漏。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：包括空芯反谐振光纤单元（1）、套接在空芯反谐振光纤单元（1）外层的内包层（5）、套接在内包层（5）外层的外包层（7）、套接在外包层（7）外层的石英玻璃支撑管（8）和套接在石英玻璃支撑管（8）外层的聚合物涂层（9）；空芯反谐振光纤单元（1）包括空气纤芯（2）和六个相同尺寸的内部嵌套椭圆反谐振管（4）的包层圆管（3），包层圆管（3）围绕空气纤芯（2）设置，包层圆管（3）之间的间隔距离相同，椭圆反谐振管（4）的管壁厚度与包层圆管（3）的管壁厚度相同，空气纤芯（ 2 ） 区域的内部及其它空芯反谐振光纤单元（1）内部的空间均为空气；外包层（7）由33个尺寸相同的圆管（6）组成，圆管（6）围绕内包层（5）设置，圆管（6）与包层圆管（3）的厚度和材料一致。
2.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述空气纤芯（2）直径为26.3～29.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述包层圆管（3）的直径为17.945～19.258μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述椭圆反谐振管（4）的长轴尺寸为8.459～9.523μm，短轴为4.9985～5.2465μm，长轴和短轴的比例因子为0.6。
5.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述空芯反谐振光纤单元（1）中的包层圆管（3）和椭圆反谐振管（4）的壁厚为0.17～0.19μm。
6.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述空芯反谐振光纤单元（1）中的包层圆管（3）、椭圆反谐振管（4）和内包层（5）的材料为折射率为1.458的纯石英玻璃；外包层（7）由33个紧密相连且尺寸相同的圆管（6）组成，圆管（6）的内部及外包层（7）其它空间为折射率为1的空气。
7.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述内包层（5）外径尺寸为330～350μm。
8.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述圆管（6）的外径尺寸为17.6～17.9μm，圆管（6）的管壁厚度为0.17～0.19μm。
9.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述由圆管（6）组成的外包层（7）的厚度为90～91μm。
10.根据权利要求1所述的一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤，其特征在于：所述石英玻璃支撑管（8）的厚度为15～20μm，所述聚合物涂层（9）的厚度大于15μm。
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